Способ формирования перестраиваемого псевдо-бесселева светового пучка

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО ПСЕВДОБЕССЕЛЕВА СВЕТОВОГО ПУЧКА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Казак Николай Станиславович Рыжевич Анатолий Анатольевич Мащенко Александр Георгиевич Хило Анатолий Николаевич Хаткевич Анатолий Григорьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ формирования перестраиваемого псевдо-бесселева светового пучка, при котором с помощью перестраиваемой оптической системы в виде по меньшей мере перестраиваемой сферической линзы из исходного когерентного светового пучка формируют световой пучок с измененным значением модуля радиуса кривизны волнового фронта, путем преломления которого формируют выходной бесселев световой пучок с размерами центрального максимума интенсивности, изменяющимися с изменением продольной координаты, и путем перестройки фокусного расстояния перестраиваемой оптической системы перестраивают распределение интенсивности в поперечных сечениях выходного пучка. 6419 1 Предлагаемое изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может быть использовано для осуществления нелинейно-частотных преобразований лазерного излучения, для манипулирования нано- и микрообъектами, для воздействия на органические клетки и ее компоненты, для лазерной обработки материалов, а также в системах передачи и обработки оптической информации. В настоящее время наблюдается возрастание интереса к т.н. градиентным световым пучкам, в которых имеются резкие перепады интенсивности в поперечном сечении, обладающие какой-либо (например, аксиальной) симметрией. Одним из наиболее известных пучков такого типа являются бесселевы световые пучки (БСП) нулевого и высших порядков. БСП имеют большое количество концентрично расположенных кольцевых максимумов и минимумов интенсивности и являются аксиально симметричными. Поперечное радиальное распределение интенсивностив них описывается возведенной в квадрат функцией Бесселя соответствующего порядка (2, где- функция Бесселя -го порядка,- радиальная координата,,2/ - модуль волнового вектора,угол конусности БСП,- длина волны излучения). Центральный наиболее яркий максимум интенсивности в поперечном сечении БСП нулевого порядка (БСП 0) имеет вид светлого круглого пятна, а в БСП высших порядков (БСП,0) - вид круглого светлого кольца. На кривой, описывающей радиальное распределение интенсивности, размеру радиусу - центрального максимума соответствует расстояние от оптической оси (радиальная координатаравна 0) до ближайшей точки, где интенсивность равна 0. Диаметр максимума равен удвоенному радиусу максимума. В центре поперечного сечения БСП высших порядков наблюдается минимум интенсивности в виде круглого темного пятна. При использовании БСП в качестве световых ловушек для частиц частицы в зависимости от длины волны излучения могут удерживаться как в минимуме, так и в максимуме интенсивности, где существует значительный градиент интенсивности. Т.к. в центральном максимуме интенсивности БСП, имеющем небольшие размеры, существует наибольшая в поперечном сечении интенсивность излучения, эти пучки могут использоваться для точной лучевой обработки материалов, а также для воздействия на живые клетки и ее компоненты. В обычном БСП расположение минимумов и максимумов интенсивности не зависит от продольной координаты, а центральный максимум интенсивности сохраняет свои размеры практически неизменными во всей зоне существования БСП. Иногда целесообразно использовать световые пучки с изменяющимися в зависимости от продольной координаты размерами центрального максимума интенсивности, например, для фокусировки пучков охлажденных частиц в нанотехнологиях. Бесселевы пучки с распределением интенсивности в поперечном сечении, зависящим от продольной координаты, принято называть псевдо-бесселевыми световыми пучками (ПБСП). Радиальное распределение интенсивности в их сечении описывается формулой 2 , где- продольная координата. В таких пучках угол конусности волновых векторов и, как следствие, размеры центрального максимума интенсивности в конкретном сечении зависят от продольной координаты. Для формирования БСП наиболее часто используют известные способы на основе конических оптических элементов, например конической линзы - аксикона 1, отражающей конической поверхности - рефлаксикона 2 и голографический способ 3. Однако эти способы для данной длины волны излучения позволяют формировать БСП с единственным конкретным расположением минимумов и максимумов интенсивности, зависящим от угла при основании конусной поверхности аксикона, в то время как для многих приложений, в частности связанных с манипулированием частицами, бывают необходимы различные размеры, к примеру, центрального, наиболее яркого максимума БСП, как в зависимости от продольной координаты, так и в конкретном поперечном сечении бесселева пучка. Существует способ формирования ПБСП с помощью плоских оптических элементов,имеющих радиальный градиент показателя преломления 4, однако данный способ не по 2 6419 1 зволяет перестраивать распределение интенсивности, описываемое квадратом функции Бесселя, в конкретном поперечном сечении пучка. Известен способ формирования БСП с перестраиваемым углом конусности 5. Пропуская исходный световой пучок через оптическую систему, состоящую из двух сферических линз, которые образуют телескоп, и аксикона, расположенного между ними, получают БСП 0, размеры центрального максимума которого зависят от расположения аксикона по отношению к линзам, но являются постоянными на всем протяжении БСП для конкретного местоположения аксикона. Это значит, что известный способ не позволяет формировать БСП, размеры центрального максимума в котором зависят от продольной координаты. Кроме того, для перестройки необходимо точное позиционирование аксикона на оси схемы, что при практической реализации требует либо использования дорогостоящей быстрой и высокоточной механики, либо существенных затрат времени на юстировку оптической схемы. Известный способ изменения кривизны волнового фронта (фокусирования и дефокусирования) светового пучка посредством пропускания его через перестраиваемую сферическую линзу (оптический элемент или система линз с переменным фокусным расстоянием) 6 реализуют с помощью различных устройств, например системы сферических линз 7, электрооптической сферической линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием 8,9. Хрусталик человеческого глаза также является линзой с изменяемым фокусным расстоянием (явление аккомодации) 10. Однако этот способ не позволяет формировать БСП и ПБСП. Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности трансформации исходного когерентного светового пучка, обладающего аксиально симметричным распределением интенсивности в поперечном сечении, в ПБСП той же длины волны с возможностью перестройки размеров центрального максимума интенсивности. Поставленная задача решается таким образом, что в способе формирования перестраиваемого псевдо-бесселева светового пучка, при котором с помощью перестраиваемой оптической системы в виде по меньшей мере перестраиваемой сферической линзы из исходного когерентного светового пучка формируют световой пучок с измененным значением модуля радиуса кривизны волнового фронта, путем преломления которого формируют выходной бесселев световой пучок с размерами центрального максимума интенсивности, изменяющимися с изменением продольной координаты, и путем перестройки фокусного расстояния перестраиваемой оптической системы перестраивают распределение интенсивности в поперечных сечениях выходного пучка. Для преломления светового пучка используют преимущественно конический оптический элемент либо его аналог по результату физического воздействия на световой пучок,например комбинацию аксиконов, электрооптический или голографический аксикон, фазовую или спиральную пластину, пластину с градиентом коэффициента преломления и т.п. Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. Перестраиваемая оптическая система, например перестраиваемая сферическая линза (в частности, электрооптическая) или ее комбинация с обычной сферической линзой или комбинацией линз,из исходного светового пучка в общем случае формирует световой пучок с широким угловым спектром волновых векторов, соответствующих элементарным плоским волнам,образующим этот пучок. Перестраиваемая оптическая система (линза) изменяет кривизну волнового фронта исходного пучка и может быть положительной и отрицательной. Для определенности в качестве исходного можно использовать коллимированный световой пучок. Тогда после положительной системы (линзы) на расстоянии, не превышающем фокусного расстояния линзы, пучок имеет отрицательный радиус кривизны волнового фронта (0) и вогнутый волновой фронт, то есть является сходящимся. В пучке, имеющем вогнутый волновой фронт, угол, который составляет конкретный волновой вектор с оптической осью схемы, тем больше, чем на большем расстоянии от оси распространяется 3 6419 1 элементарная волна, которой соответствует этот волновой вектор. Волновые векторы, не лежащие на оптической оси, направлены к оптической оси. Проходя через конический оптический элемент (например, коническую линзу), удаленный от положительной линзы на расстояние, не превышающее фокусного, сходящиеся элементарные волны изменяют направление распространения, образуя ПБСП вблизи оптической оси схемы. Чем на большем расстоянии от оптической оси проходила элементарная волна через конический элемент, тем на большем расстоянии она участвует в формировании ПБСП и тем больший угол конусности имеет ПБСП в данном месте. Больший угол конусности, равный углу между волновыми векторами преломленных элементарных волн и оптической осью схемы, соответствует меньшему размеру центрального максимума интенсивности ПБСП. Это означает, что с увеличением продольной координаты размеры центрального максимума ПБСП, формирующегося за коническим оптическим элементом, уменьшаются. Изменяя фокусное расстояние перестраиваемой линзы, можно варьировать размер центрального максимума интенсивности в каждом конкретном поперечном сечении ПБСП. Световой пучок, прошедший после положительной перестраиваемой системы (линзы) расстояние, превышающее ее фокусное расстояние, имеет выпуклый волновой фронт(0). Выпуклый волновой фронт приобретает также пучок, прошедший через отрицательную перестраиваемую сферическую линзу. В пучке, имеющем выпуклый волновой фронт, угол, который составляет конкретный волновой вектор с оптической осью схемы,тем больше, чем на большем расстоянии от оси распространяется элементарная волна, которой соответствует этот волновой вектор. В таком пучке все волновые векторы, кроме лежащего на оптической оси, направлены от нее. Проходя через конический оптический элемент (например, коническую линзу) или ее аналог по результату физического воздействия на световой пучок, расходящиеся элементарные волны изменяют направление распространения, формируя поле, в котором имеются расходящиеся элементарные волны,сходящиеся элементарные волны и элементарные волны, распространяющиеся в направлении оптической оси схемы. Только сходящиеся элементарные волны образуют ПБСП вблизи оптической оси схемы. Чем на большем расстоянии от оптической оси проходила элементарная волна через конический элемент, тем на большем расстоянии она участвует в формировании ПБСП и тем меньший угол конусности имеет ПБСП в этом месте. Меньший угол конусности, определяемый волновыми векторами преломленных сходящихся элементарных волн, соответствует большему размеру центрального максимума интенсивности ПБСП. Это означает, что с увеличением продольной координаты размеры центрального максимума ПБСП, формирующегося за коническим оптическим элементом,увеличиваются. Изменяя фокусное расстояние перестраиваемой системы (линзы), можно варьировать размер центрального максимума интенсивности в каждом конкретном поперечном сечении ПБСП. Возможно объединение перестраиваемой оптической системы с другой сферической линзой или системой линз, в результате чего получается перестраиваемая оптическая система с другими параметрами (например с другим диапазоном перестройки фокусного расстояния). В качестве оптического конического элемента может использоваться как коническая линза - аксикон, так и ее аналог по физическому действию - голограмма, кристалл,являющийся электрооптическим аксиконом, или элемент с градиентом показателя преломления, не имеющие конической поверхности, конический отражающий элемент и т.п. Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема известного способа формирования БСП с помощью одного аксикона, где 1 - оптическая ось схемы, 2 - исходный (входной) коллимированный световой пучок, 3 - коническая линза (аксикон), 4 - зона, в которой существует интенсивный БСП,- радиус исходного светового пучка,- угол при основании конической поверхности аксикона,- угол конусности БСП,- длина зоны существования интенсивного БСП на фиг. 2 - зарегистрированное ПЗС-матрицей изображение обычного БСП 0, полученного известным способом 4(фиг. 1) на фиг. 3 - радиальное распределение интенсивности в обычном БСП 0 на фиг. 4 изображение БСП 1 на фиг. 5 - радиальное распределение интенсивности в обычном БСП 1 на фиг. 6 - оптическая схема установки с положительной перестраиваемой оптической системой или ее аналогом, на которой реализуется предлагаемый способ, причем в этой схеме перестраиваемый размер центрального максимума интенсивности уменьшается с увеличением продольной координаты, где 5 - перестраиваемая положительная оптическая система, 6 - сходящийся световой пучок с вогнутым волновым фронтом, 7 - зона существования ПБСП, размеры центрального максимума которого уменьшаются при увеличении продольной координаты на фиг. 7 - оптическая схема установки с положительной перестраиваемой оптической системой, на которой реализуется предлагаемый способ, причем в этой схеме размеры центрального максимума интенсивности увеличиваются с увеличением продольной координаты, где 8 - расходящийся световой пучок с выпуклым волновым фронтом, 9 - зона существования ПБСП, размеры центрального максимума которого увеличиваются при увеличении продольной координаты на фиг. 8 - оптическая схема установки с отрицательной перестраиваемой оптической системой, на которой реализуется предлагаемый способ, причем в этой схеме размер центрального максимума интенсивности увеличивается с увеличением продольной координаты, где 10 - отрицательная перестраиваемая оптическая система на фиг. 9 - экспериментально измеренные зависимости радиуса центрального максимума интенсивности от продольной координаты в ПБСП для схемы на фиг. 6 (квадраты), где размер максимума уменьшается при увеличении продольной координаты, и для схем на фиг. 7, 8 (треугольники), где размер максимума увеличивается на фиг. 10 - численно рассчитанные зависимости размеров центрального максимума интенсивности для схемы на фиг. 6 при различных радиусахначального пучка с длиной волны 0,632 мкм, при фокусном расстоянии 50 мм перестраиваемой оптической системы и угле конусности 2, обеспечиваемого аксиконом при нормальном падении элементарной волны. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Исходный когерентный световой пучок 2 для получения ПБСП с уменьшающимся при увеличении продольной координаты размером центрального максимума интенсивности с помощью перестраиваемой оптической системы 5 преобразуют в сходящийся световой пучок 6 (фиг. 6), который затем пропускают через конический оптический элемент 3. Для получения ПБСП с увеличивающимся при увеличении продольной координаты размером центрального максимума исходный световой пучок 2 посредством перестраиваемой оптической системы 5 (фиг. 7) или 10 (фиг. 8) делают расходящимся пучком 8, а затем направляют на конический оптический элемент 3 либо его аналог по результату воздействия на световой пучок. Возможность осуществления предлагаемого способа и решения поставленной задачи подтверждена экспериментально. Исходный коллимированный гауссов световой пучок гелий-неонового лазера с длиной волны излучения 0,632 мкм, ограниченный круглой диафрагмой диаметром 10 мм, направляли на перестраиваемую положительную сферическую линзу, состоящую из перестраиваемой электрооптической линзы, имеющей при нулевом напряжении фокусное расстояние, равное бесконечности, и обычной стеклянной положительной сферической линзы с фокусным расстоянием 160 мм. За перестраиваемой сферической линзой помещали коническую линзу (аксикон) с углом при основании конуса 2 градуса и показателем преломления 1,5. Пространственное распределение интенсивности за аксиконом измерялось с помощью ПЗС-матрицы при двух расстояниях между перестраиваемой линзой и аксиконом 80 и 200 мм, что соответствовало падению на аксикон сходящегося и расходящегося пучка соответственно. Результаты этих измерений представлены на фиг. 9. В первом случае (квадраты) размер центрального максимума уменьшается, а во втором (треугольники) - увеличивается при увеличении продольной координаты, причем практически линейно. Проведенные расчеты показали, что во всех случаях зависимость размеров максимума интенсивности от продольной координаты являет 5 6419 1 ся линейной. В случае освещения конического элемента сходящимся световым пучком,размер центрального максимума вначале линейно уменьшается, а затем линейно возрастает при увеличении продольной координаты (фиг. 10). Варьированием фокусного расстояния перестраиваемой линзы изменением напряжения на электрооптической линзе достигалась перестройка распределения интенсивности в поперечных сечениях ПБСП. Описанные выше свойства зависимости размеров центрального максимума от продольной координаты показывали и ПБСП высших порядков. Вместо аксикона может использоваться другой оптический элемент, аналогичный по результату действия на световой пучок. Предлагаемый способ проверен и для других длин волн видимого диапазона. Необходимо также отметить, что в качестве исходного может быть использован и неколлимированный, т.е. сходящийся или расходящийся световой пучок. В любом случае перестраиваемая оптическая система изменит радиус кривизны волнового фронта пучка и сформирует в общем случае сходящийся или расходящийся пучок, который затем может быть направлен на конический оптический элемент либо его аналог для формирования ПБСП. Таким образом, полученные экспериментальные и теоретические результаты подтверждают возможность формирования перестраиваемого ПБСП с зависящим от продольной координаты размером центрального максимума. Источники информации 1. . , . .-.1992, . 31, . 12, . 2640-2643. 2. . .. .. . . .. 52, (1962), . 287-292. 3. Нее . , , . , . ..1994, . 49, . 6, . 4922-4927. 4. , , .- ., 12000. . 39,16, . 2687-2694. 5. . , . , . , . . - ., 201995. . 34,33, . 7670-7673. 6. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М. Наука, 1973. - С. 225-232. 7. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М. Наука, 1973. - С. 227-228. 8. А.с. 756983 СССР. Электрооптическая линза / Гусак Н.А., Лепарский В.Е., Мащенко А.Г. Приоритет изобретения 18 июня 1975 г. 9. Гусак Н.А., Мащенко А.Г. Оптимальные электрооптические фокусирующие устройства // Журнал прикладной спектроскопии, 1983. - Т. 39. - Вып. 2. - С. 287- 291. 10. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М. Наука, 1973. - С. 224. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.